某稀土伴生放射性废渣库闭库封场设计

张贺飞，杜 娟

(中核第四研究设计工程有限公司，河北 石家庄 050021)

稀土是伴生放射性矿产资源之一，通常与铀系、钍系的天然放射性核素共生。在稀土冶炼过程中，90%以上的放射性核素会富集在废渣、尾矿等固体废物中，导致产生大量放射性水平远高于当地本底水平的废物，需要对其妥善处理。位于内蒙古地区的某废渣库是经相关单位批准建设的，可接收稀土工业企业产生的伴生放射性稀土废渣。该废渣库已达到设计库容，需进行闭库封场处理[1-4]。

封场工程作为固体废物填埋处理处置设施最后的一项工程建设内容，封场工程的成败关系着填埋物能否彻底与外界环境隔离、实现环境保护的目的[5-6]。科学合理的封场结构层既可隔离污染、保障设施稳定运行，又可减少后期填埋设施维护工作量。

由于中国尚未出台指导伴生放射性废渣库闭库封场的相关标准规范，而现有关于放射性废物填埋设施的相关标准规范又不适用于伴生放射性废物的处置。因此，通过对比危险废物、极低水平放射性废物和低中水平放射性废物填埋场(废渣库)的封场要求，提出伴生放射性废渣库封场结构层设计方案。

1 工程概况

1.1 废渣库概况

待封场的库区地形为北高南低、西高东低，地形标高约1 118.94～1 089.07 m，最大高差约30 m，自然坡度17%。库区东西向宽130～220 m，南北向长65～190 m，为不规则的“梯形”形状，面积约2.25万m2。库区防渗结构采用双人工衬层，设计库容为28.0万t。废渣库如图1所示。

1.2 稀土废渣放射性

根据调查，内蒙古地区混合型稀土矿采用硫酸强化焙烧工艺(第三代酸法)冶炼，原矿中96%的钍系核素均富集到废渣中，废渣具有较高的放射性水平。其放射性指标见表1。

表1 稀土废渣比活度

2 封场总体设计目标

封场工程的基本功能和目标：严格遵守辐射防护三原则和保护后代原则；为填埋物和人群、植物、动物的隔离提供一个物理屏障，改善感官不良印象；控制放射性气载流出物迁移扩散，减少无组织排放；最大限度地减少地表水的渗入量，实现雨污分流；为植被生长提供适宜的土壤环境，有利于生态恢复和美化环境。

3 封场结构层对比

3.1 封场覆盖层

填埋场封场设计应考虑地表水径流、排水防渗、填埋气体的收集、生态恢复、填埋场的稳定性及土地利用等因素。典型封场覆盖系统结构由废物堆体表面至顶表面顺序为排气层、防渗层、排水层、植被层。

以下列举《危险废物填埋污染控制标准》(GB18598—2001)[7]、《极低水平放射性废物的填埋处置》(GB/T28178—2011)[8]和《低中水平放射性废物近地表处置设施设计规定——非岩洞型处置》(EJ 1109.1—2000)[9]中对封场结构层要求。

3.1.1 危险废物填埋场对封场覆盖的要求

GB18598—2001要求最终覆盖层应为多层结构，应包括以下部分：1)底层(排气层)。厚度不小于200 mm，由透气性好的颗粒物质组成；2)防渗层。天然材料防渗层厚度不小于500 mm、也可采用复合防渗层，人工合成材料层不小于1.0 mm，天然材料层厚度不小于300 mm；3)排水层及排水管网。透水能力不应小于0.1 cm/s，一般铺设300 mm卵石；4)保护层。保护层厚度不应小于200 mm，由粗砾性坚硬鹅卵石组成；5)植被恢复层。植被层厚度不应小于600 mm，土质应有利于植物生长和场地恢复[10]。危险废物填埋物覆盖结构要求如图2所示。

3.1.2 极低水平放射性废物的填埋处置设施封场覆盖要求

根据GB/T28178—2011的要求，填埋场关闭覆盖层的设计应考虑当地气象条件、人员和动物的活动情况，其结构层组成由下至上依次为天然土壤层、压实黏土层、排水层(上下包裹土工布)、砾石层(防生物层)和覆盖土层及植被。根据该规范，封场底部的天然土壤层主要是用于填充废物包裹之间的空隙，防止封场后因包裹破碎而引发沉降。极低水平放射性废物填埋设施封场覆盖要求如图3所示。

3.1.3 低中水平放射性废物近地表处置设施闭库封场覆盖的要求

EJ 1109.1—2000中提出，覆盖层的设计应满足防渗、防生物侵扰的要求，并能抵抗由于地表自然过程所带来的剥蚀；覆盖层应由多种材料分层设置，按其功能可分为核素阻滞层、挡水层、导水层、防生物闯入层、稳定层、植被层和(或)抗风蚀层等。低中水平放射性固体废物库封场覆盖要求如图4所示。

3.1.4 不同填埋场封场对比

不同固体废弃物填埋场封场结构层见表2。

表2 不同固体废弃物填埋场封场结构层对比

注：①低、中水平放射性废物封场结构层来自实际工程案例；②天然防渗材料k≤10-7cm/s。

从上述关于固体废弃物填埋场封场技术规范的要求和工程实例来看，根据填埋物的不同，封场结构层也有所差异。危险废物填埋场中，各种填埋物反应会产生气体，因此需要设置排气层。与放射性相关的处置设施的封场覆盖层均考虑对填埋物的保护，设置了防生物闯入层；而在最新的《危险废物填埋污染控制标准——征求意见稿》中不再要求设置保护层，笔者认为是由于在排水层采用的颗粒材料多为卵砾石等硬质天然材料，兼备保护层的作用。封场放射性废物又有其特殊性，除考虑雨污分流、生物干扰外，还应考虑屏蔽填埋物中辐射，因此，其封场覆盖层厚度要通过相应计算确定。

综上所述，固体废物填埋场中填埋物中的污染持续时间越长，对生态环境影响越大，其封场结构层越严格，尤其是低、中水平放射性废物近地表处置场封场，除不需要设置导气层外，其他结构层的要求均更为严格。

以上封场结构层的设计对稀土伴生放射性废渣库闭库封场设计有很好的指导作用。稀土废渣放射性比活度为4.4×104～2.4×105Bq/kg。若依据EJ 1109.1—2000中封场要求，封场结构层设计过于保守，会造成封场费用过高；而GB51220—2017和GB18598—2001中又没有考虑屏蔽辐射的要求，因此，稀土伴生放射性废渣库闭库封场设计需综合考虑以上3种固体废物封场要求。

4 稀土伴生放射性废渣库闭库封场设计

废渣库的封场首先要考虑对稀土废渣放射性的屏蔽效果，本研究所涉及的稀土主要为钍系核素，主要产生220Rn。封场覆盖结构层的材料及厚度既要满足屏蔽220Rn的析出，又要满足降低γ辐射剂量率的要求。

根据监测数据，废渣中220Rn析出率为3.87 Bq/(m2·s)。0.56 mm厚HDPE膜防氡效果达99.2%。由此计算，只要封场结构层中采用厚度大于0.56 mm的HDPE膜，其氡析出率将小于0.031 Bq/(m2·s)，远低于GB14586中规定的小于0.74 Bq/(m2·s)的要求。另外，由于220Rn的扩散度远小于222Rn，因此，覆盖层厚度计算时只考虑屏蔽γ辐射剂量率即可。

4.1 覆盖层厚度与屏蔽γ辐射剂量率关系

根据γ射线在屏蔽材料中的减弱规律，覆盖层厚度与屏蔽γ辐射剂量率的关系式为

(1)

式中：X1—覆盖层夯实后土的厚度，cm；Hi—覆盖前的γ辐射剂量率平均值，Gy/h；Ho—γ辐射剂量率的控制值Gy/h；Δ1/2—半值层厚度，即γ辐射剂量率减弱一半所需的覆盖层厚度，根据试验数据，计算出该地区的半值层厚度约为25 cm。

取Hi和Ho分别为3.58×10-6和1.09×10-7Gy/h，计算后取X1=126 cm。最终确定废渣库的覆盖层厚度为1 400 mm。此覆盖层厚度是以单一材料(黏土)作为覆盖材料计算而得。

4.2 封场结构层的设计

放射性废物填埋场封场还要考虑对放射性屏蔽的要求，根据表2计算结果，废渣库封场覆盖层总厚度要求不小于1 400 mm。本工程封场覆盖结构层确定为防渗层、排水层、生物阻隔层、植被层，废渣库终场覆盖系统结构层如图5所示。

封场覆盖层中防渗层采用复合防渗，人工合成材料可保证废渣堆体初期沉降时防渗性能；而天然材料则能保证防渗性能长期稳定。其他各结构层天然材料总厚度约1 400 mm，包括900 mm厚黏土、300 mm厚碎石和200 mm厚中粗砂。根据工程经验，碎石和中粗砂压实后的密度均大于黏土压实密度，两种材料对γ辐射的屏蔽效果均可等效为同等厚度的黏土。因此，该封场覆盖方案可满足废渣库安全稳定和辐射屏蔽的要求。

5 结论和建议

在实际工程中借鉴GB18598—2001、GB/T28178—2011和EJ1109.1—2000等相对比较成熟的固体废弃物填埋场封场设计，取长补短，确定稀土废渣库封场结构层组成、厚度和材料，既保证闭库后安全稳定运行，又兼顾经济合理可行。该工程的实施对伴生放射性废渣库闭库封场设计有很好的指导意义，也对稀土伴生放射性库封场标准的制定有重要的参考价值。

在今后的设计中可探讨排水层和阻隔层合并的可行性，两种结构层要求和使用材料基本一致，可通过对材料及厚度的要求实现排水层既能导排渗水又能防止外界生物干扰。

为更好地指导稀土工业的发展，建议相关部门尽快制定关于伴生放射性废渣处理处置的标准，使得稀土工业发展适应当前环保的要求。